電動汽車逆變器和電機的實時效率測量
2025-02-05
里程焦慮是電動汽車行業的熱門話題之一，如何提升電動汽車的續航能力從而改善駕駛體驗對電動出行至關重要，其中優化逆變器和電機的運行效率是電動汽車能量管理的基石之一。本文將介紹如何使用Vector-CSM的電動汽車高壓測量系統對逆變器和電機進行精確的實時效率分析。
一、背景介紹
為了提升續航里程，需要對電動汽車動力系統的組件進行優化。逆變器在整個動力系統中起著重要作用，高效能的逆變器可以減少電池與電機的能量轉換過程中的損失，比如在驅動過程中，由于PWM開關性能和廢熱，會損失部分能量，而在制動過程中，逆變器可以將能量回收，按需給電池充電，這個過程也會有能量損失。測量逆變器和電機的效率為評估和驗證電動汽車動力總成設計和優化控制軟件算法提供參考依據。
二、挑戰
為了對電動汽車動力總成進行精確的實時功率計算，需要以高采樣速率測量被測對象輸入和輸出端的電流、電壓，并要求信號同步和相位準確。為了綜合分析，需要同步獲取其他測量值，如逆變器中的溫度，以觀察、捕捉部件的工作閾值和特定溫度下的效率。理想情況下，測量模塊應靠近傳感器布置，避免因信號傳輸電纜過長引發的電磁干擾。同時在高壓環境中進行測量，必須確保被測對象、測量設備和用戶的安全。
三、Vector-CSM解決方案
圖1:Vector-CSM電動汽車高壓測量系統
HV BM模塊可以同步測量單相、三相電壓和電流，配合使用vMeasure軟件中的功率分析函數庫實現精確分析。
1、HV BM 1.2模塊通過格蘭頭或者PL500型接插件連接在電池和逆變器之間。HV BM 1.2模塊可以測量HV+和HV-中的單相直流和電壓，并通過EtherCAT以1 MHz的數據傳輸速率傳遞數據。（通過安裝合適的接插頭，可以實現模塊的即插即用）
2、HV BM 3.3模塊通過格蘭頭或者PL300型接插件連接在逆變器和電驅之間，并通過互鎖保護裝置固定，且布線簡潔。測量模塊支持三相交流電的電流和電壓相位的同步，并能以2 MHz數據速率通過XCP-on-Ethernet進行傳輸。
圖2：HV BM 3.3 測量逆變器和電機之間的三相交流電
3、高壓安全溫度模塊（HV PTMM）測量逆變器中溫度。
4、HV BM 3.3（帶XCP網關）模塊提供額外的EtherCAT和CAN接口，允許HV BM 1.2模塊（通過EtherCAT）和高壓溫度模塊（通過CAN）連接至HV BM 3.3模塊，實現兩個HV BM模塊同步精度小于1μs。
5、頻率測量模塊（CNT 4 evo）通過測量扭矩和轉速來計算電機的效率，可以直接連接到HV BM 3.3模塊的CAN接口。
6、VX1000可以采集電機控制器內部變量，和HV BM測量數據通過PTP精準同步。
7、CANape和vMeasure自帶的eMobitlityAnalyzer函數庫進行實時的效率計算。
8、HV BM 3.3支持三相電功率計算功能。將同步測得的相電流和線電壓，通過XCP以２ ＭS/ｓ速率發送到上位機，利用eMobilityAnalyzer函數庫實時完成電功率計算，如有功功率、視在功率、無功功率和功率因數等。
9、在進行逆變器效率分析的同時，eMobilityAnalyzer函數庫還會計算所有必要的參數，如輸入功率和能量、輸出功率和能量、功率耗散、能量損失、效率和旋轉磁場頻率等。
圖3:vMeasure軟件自帶eMobilityAnalyzer函數庫進行功率分析
圖4:使用eMobilityAnalyzer函數庫對逆變器效率進行分析
圖5:根據Vector-CSM測量系統（圖1）得到的電動汽車（標稱功率為75KW）測試數據。速度曲線（白色）可以反映車輛加速和減速。相應的紅色顯示正向或反向電流。在驅動過程中，逆變器效率（亮綠色）在高負載時超過90%；而在能量回收過程中，逆變器反向充電效率（亮綠色）也可高達90%。當負載變化至電流較小時，逆變器的效率和充電效率都會變差。通過eMobilityAnalyzer函數庫（圖4）可進行實時和離線功率計算，同時也能得到電機的電流頻率。
四、優點
Vector-CSM 電動汽車高壓測量系統支持在臺架或者車輛上進行分布式測量。Vector的軟件方案可以精確同步處理CSM模塊采集的數據和ECU的內部數據。
HV BM模塊可以通過即插即用接插件接入測試環境中，被測對象也可以快速的更換以滿足不同的測試配置。
此外，其他測量模塊可以直接和HV BM 3.3 或者HV BM 3.3C連接，進一步簡化測試環境配置。通過HV BM模塊直接測量電流和電壓，并進行實時功率分析，取代繁瑣的傳統功率分析儀及電流轉換系統。
在高壓環境下，Vector-CSM電動汽車高壓測量系統不但確保了從傳感器到數據采集的測量鏈路安全，而且提供了測試模塊擴展的便捷性，并始終確保測量信號的同步。通過實時效率的計算，用戶可以便捷地檢查、優化電驅測試臺架中的組件。除此之外，CSM模塊適合車載使用，方便臺架數據與實車數據對比。
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